현재 양자컴퓨터에 미래가 있다고 생각하는 국가와 투자자들은 전세계적으로 200억달러(약 22조원)이 넘는 자금을 양자컴퓨터 개발에 투자하고 있으며, 구글, IBM, 마이크로소프트와 같은 세계적인 IT 기업들이 양자컴퓨터 기술 개발에 뛰어들고 있습니다. 양자컴퓨터란 특수한 하드웨어에서 계산을 실행하기 위해 양자 역학을 사용하는 것입니다. 여기서 양자란 물리학에서 실제 속성의 가능한 최소 개별 단위로 전자, 중성미자, 광자와 같은 원자성 또는 아원자성 입자의 속성을 지칭합니다.

양자 컴퓨터의 기본 정보 단위는 큐비트라고 합니다. 기존 전자식 컴퓨터에서는 반도체를 사용하여 전기가 흐르면 1, 흐르지 않으면 0으로 두는 방식으로 계산하는 비트가 기본 정보 단위이며, 비트는 이진으로 0 또는 1 로 정보를 처리합니다. 양자 컴퓨터에서는 하나의 비트가 동시에 0과 1을 갖는 것을 허용하며, 이것을 퀀텀비트 (quantum bit)라고 하며, 줄여서 큐비트(qubit)라고 합니다. 여기서 중요한 것은 동시에 0과 1을 가질 수 있다는 것입니다. 기존 전자식 컴퓨터의 연산으로도 적절한 알고리즘만 적용하면 큐비트를 사용하는 것만큼 다양한 상태를 만들어낼 수 있기 때문에 양자컴퓨터를 일반 컴퓨터와 차별하는 것은 큐비트가 만들어내는 경우의 수가 아니라 연산이 결정론적이냐, 비결정론적이냐의 여부입니다. 양자컴퓨터에서 비결정론을 만드는 것은 양자 중첩이라는 특성입니다. 양자 컴퓨터는 양자역학에서의 중첩, 얽힘, 양자간섭과 같은 동작을 활용하며, 이를 컴퓨팅에 적용합니다. 아래에 양자컴퓨터 이해를 위한 양자 역학의 특징적 동작에 대해서 간단히 설명하겠습니다. 양자 역학 관련해서는 아직 theory로 실험적 증명이 된 부분도 있고, 아직 실험적으로 증명이 되지않은 부분도 있음을 알고 글을 읽으시면 좋을 것 같습니다.

양자 중첩 (Quantum superposition)

양자컴퓨터의 비결정론을 만들어내는 것은 양자컴퓨터가 입자 상태의 ‘중첩’을 이용하기 때문입니다. 양자 입자는 중첩에서 가능한 모든 상태의 조합을 보일 수 있습니다. 양자 입자는 관찰하고 측정할 때까지 변동하는데 이를 중첩이라고 할 수 있습니다. 큐비트는 가능한 모든 상태의 중첩을 보유할 수 있습니다. 조금 쉽게 설명하면 비트는 동전을 던져서 나오는 앞면이나 뒷면만을 표시할 수 있는데 반해서 양자역학에서 중첩 상태는 앞면이나 뒷면으로 끝나는 상태 이외에도 동전을 던져서 빙글빙글 도는 모든 상태를 포함하고 있다고 생각하면 됩니다.

그림 1. 블로흐 구면 : 양자역학에서 큐비트를 공간 기하학적으로 나타낸 것으로 구의 표면은 두가지 결과에 대한 확률값의 합이 1인 점으로 가능한 모든 사건이 일어나는 경우를 확률적으로 표현한 것이다. 고전적인 비트는 구의 북극 (0) 남극 (1) 값만 지닐 수 있지만 중첩에 의해서 큐비트는 구의 어는 곳에도 존재할 수 있습니다. 중첩은 일반적으로 우리가 이해하는 확률과는 다르게 이해해야 하는 데 예를 들어서 어떤 물체가 A-J 의 10개의 상자 중 A에 있을 확률이 10%라면 10번 중 한번은 A상자에 있고 나머지 9번은 다른 상자에 있어야 하지만 양자 수준의 미시세계에서는 A-J 어떤 상자에도 ‘동시’에 존재가 가능하며, 그 존재 확률이 상자 A에서 10%로 나타날 뿐이다.

양자얽힘 (Quantum entanglement)

양자 입자의 측정 결과를 상호 연결하는 능력을 얽힘이라고 합니다. 전자와 같은 작은 입자들이 하나의 쌍을 이루어 공간이 머리 떨어진 곳에서도 하나의 입자가 변동하면 다른 쪽도 즉각적으로 변동을 하는 현상으로 양자역학을 이용하는 큐비트는 얽힐 경우 단일 시스템을 형성하고 서로 영향을 미칩니다. 양자얽힘을 이용하여 큐비트 2개를 쌍으로 만들 수 있으며 동기화된 2개의 큐비트는 하나의 움직임에 따라 즉각적으로 반응할 수 있습니다. 중첩으로 인해 0도 아니고 1도 아닌 상태인 큐비트가 서로 얽혀서 A큐비트가 1로 보이게 할 때 B큐비트를 0이나 1로 확실하게 보이게 할 수 있고 이를 이용하면 2개의 큐비트의 양자 얽힘을 이용해서 00,01,10,11 등 4가지 상태를 표현할 수 있습니다. 이러한 얽힘을 이용하여서 한 큐비트의 측정값을 사용하여 다른 큐비트에 대한 결론을 이끌어 낼 수 있어 더 많은 큐비트를 추가하여 서로 얽히게 만들면 2의 n제곱만큼 기하급수적으로 더 많은 정보를 계산하고 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다.

양자역학은 원자, 전자와 같은 미시적인 계의 현상을 다루는 것으로 우리가 현실세계에서 보고, 듣는 것과는 매우 다른 현상이 있어서 이를 밝혀내는 것도 어렵고, 이해하는 것도 어려워 더 자세히 설명드리지는 않겠습니다. 하지만 양자역학분야의 매우 특징적인 것들을 이용해서 우리는 컴퓨터로 이용할 수 있다고 이해하시면 될 것 같습니다.

그러면 이런 양자역학을 이용하여 우리는 물질적인 컴퓨터를 만들어야만 실생활에 사용할 수 있겠지요. 그래서 양자컴퓨터는 크게 3가지 부분으로 나누어져 있습니다. 첫번째 큐비트를 보관하는 장소인데 이는 어떤 큐비트를 이용하느냐에 따라서 집적회로 기술을 기초로 한 큐비트를 사용하는 것과 원자같은 자연 상태의 큐비트를 이용하는 방식에 따라 다릅니다. 집적회로 기술을 기초로 하는 현재까지 상용화된 양자컴퓨터에서는 (그림 2) 큐비트를 저장하는 디바이스는 결집을 최대화하고 간섭을 줄이기 위해서 일반적으로 절대 0(영)도 바로 위의 극저온 상태를 유지하는 것이 필요하며, 진동을 최소화하기 위해 필요한 경우에는 진공 챔버를 사용하기도 합니다. 두번째 신호를 큐비트로 전송하는 것인데 극초단파, 레이저등을 포함한 다양한 방법을 통해 큐비트에 신호를 보낼 수 있습니다. 세번째는 프로그램을 실행하고 지침을 보내기 위한 기존 컴퓨터입니다.

그림2. 최초로 상용화된 양자 컴퓨터 ‘D-WAVE’
(출처:http://www.dwavesys.com/d-wave-two-systme)

이러한 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 모든 것을 더 빨리 수행할 수 없지만 암호화 부분 및 기계학습 분야에서 큰 영향을 미칠 수 있을 것으로 알려져 있습니다. 기존의 암호화는 소인수 분해 또는 이산로그와 같은 것에 의존하는 데 양자 역학을 이용하면 훨씬 더 세련된 암호를 만들어서 향후 전자화폐의 상용화 등에 영향을 줄 수 있을 것입니다. 특히 최근 급속히 발전하고 있는 딥러닝, 머신러닝 기술은 인공지능기술 개발에 발전을 가져오고 있습니다. 향후 양자 컴퓨터를 통해 딥러닝이나 머신러닝을 구현하면 비용 및 시간을 매우 줄일 수 있어 많은 산업 분야에 기여할 수 있고, 궁극적으로 인공지능 발전 가속화로 모든 인류의 지성을 합친 것보다 더 뛰어나 초인공지능이 출현하는 기술적 특이점 (technological singularity)에 도달하도록 양자컴퓨터가 도와줄 것이라고 예측하고 있습니다.

현재 IBM은 (그림 3) 2016년 5큐비트의 양자컴퓨터 개발에 이어 2021년 127큐비트, 2022년 433큐비트, 2023년 1211큐비트 양자컴퓨터 개발이라는 로드맵을 가지고 양자컴퓨터를 개발하고 있으며, 구글은 2019년 53큐비트의 양자컴퓨터를 만들어서 슈퍼컴퓨터로 계산에 이틀반이 필요한 문제를 3분 2초만에 풀 수 있음을 보였습니다. (그림4) 이와 같은 고성능 하드웨어 양자컴퓨터 개발은 세계 유명한 회사들이 앞다투어 나가고 있습니다. 하지만 하드웨어만 있다고 양자컴퓨터가 그 기능을 할 수 있는 것은 아니어서 또 많은 회사들이 클라우드 서비스를 통해 양자컴퓨터의 이용을 오픈하고 있습니다. 향후 양자컴퓨터 소프트웨어 즉 필요한 산업 분야에 맞는 양자 알고리즘과 양자회로 구축관련에서도 새로운 기회의 시장이 주어질 것으로 생각됩니다.

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  (A)
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  (B)

그림 3. (A)는 일본 동경대에 설치한 IBM 양자컴퓨터로서 IBM Quantum System One 이며, 미국과 독일에도 설치되어 있다. 클라우드 서비스를 통해 50큐비트의 성능을 제고하고 있고, 향후 2023년까지 1211큐비트의 하드웨어를 제공하려는 계획을 가지고 있다. (B)는 IBM양자컴퓨터 내부의 모습이다. (출처: https://www.ibm.com/quantum-computing/)

그림 4. 구글의 Sycamore 양자컴퓨터로서 양자우위 달성에 관련 된 논란이 있다.
(출처: https://quantumai.google/quantum-computing-service)